隧道爆破对临近电塔动力影响分析

陶伟 施倩红

摘  要：為研究某高铁隧道爆破施工对附近两座高压电力铁塔的动力影响，运用有限元软件Midas/GTS建立考虑断面分区爆破以及爆破孔分布的精细化二维模型。考虑以铁塔与爆源直线距离最近、单响炸药量最大为最不利工况，采用时程分析法分析计算电力铁塔塔基的最大振速。数值模拟结果表明：爆心距离越近，铁塔塔基振速越大；炸药量越大，铁塔塔基振速越大。该工程的两个电力铁塔塔基振速满足规范限值要求，说明实际炸药量控制合理，该研究结果可供其余相似工程参考。

关键词：隧道爆破  高压铁塔  数值模拟  振动速度

中图分类号：U25       文献标识码： A

Analysis of the Influence of Tunnel Blasting on the Power of Adjacent Electric towers

TAO Wei1*  SHI Qianhong2

（1. Hangzhou Metro Group Co. Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310020 China;

2. PowerChina Huadong Engineering Co. Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310000 China）

Abstract： In order to study the impact of the blasting construction of a high-speed railway tunnel on the power of two nearby pylons， the finite element software Midas/GTS is used to establish a refined two-dimensional model which considers the zonal blasting of the cross-section and the distribution of blast holes. Considering to take the closest straight-line distance between the tower and the blasting source and the largest single-sound explosive charge as the most unfavorable working condition， the maximum vibration velocity of the power tower base is analyzed and calculated by time history analysis. Numerical simulation results show that the closer the distance of the blasting center is， the greater vibration velocity of the tower base is， and that the greater the explosive charge is， the greater the vibration velocity of the tower is. The vibration velocity of two power tower bases of this project meets the requirements of the specification limit， showing that the actual explosive charge control is reasonable. This research result can be used as a reference for other similar projects.

Key Words： Tunnel blasting; Pylon; Numerical simulation; Vibration velocity

高速铁路施工过程中常常穿越山区，会临近或下穿一些对沉降或振动敏感的建（构）筑物。在隧道爆破掘进过程中，爆破引起地表建筑物的振动，当建（构）筑物振速达到临界值时，会发生不同程度的损坏[1-]。针对隧道爆破对周边建（构）筑物的影响问题，许多学者进行了相关的研究。王佳辉等人[5]利用Midas/GTS结合建立了隧道工程有限元模型，将爆破引起的引水渠振动速度数值模拟结果与现场监测结果进行了比较，结果表明：引水渠的切向振动速度最大，径向振动速度次之，垂直振动速度最小。三者的最大振动速度出现在切割孔处。武泽[6]的研究表明隧道爆破时地面建筑主要承受水平拉应力，振动速度不能充分反映建筑结构的受力状态，表建筑的竖向振动速度远大于横向，随着时间和距离的增大，振动速度迅速衰减。当隧道临近高压输电铁塔时，爆破會使地表的高压铁塔塔基产生振动，甚至导致铁塔结构失稳，影响输电安全。所以研究隧道爆破对临近高压铁塔的影响有重大意义。肖欣欣等人[7]结合某隧道工程，运用FLAC3D进行数值模拟，研究分析了铁塔塔基的沉降及质点振动速度；伍岳等人[8]结合某在建高速公路隧道工程，对临近高压铁塔塔基质点爆破振动进行了现场监测，研究了高压铁塔的振动响应特征。目前国外工程中进行爆破数值模拟计算时，常采用均布压力的形式将爆破动荷载垂直作用在隧道开挖的轮廓面上。针对目前爆破荷载数值模拟中施加荷载方法与实际有较大的差别，张玉成张玉成等人[9]基于圣维南荷载等效原理，研究了爆破荷载等效施加方法，即将作用在炮孔壁上的爆破荷载等效后，施加在同排炮孔联心线或者面上，以模拟真实的爆炸作用。研究表明，等效荷载施加方法在中远区振动吻合得较好，但在近区存在较大差异。所以，针对隧道和铁塔距离较近的工程应建立考虑断面分区爆破以及爆破孔分布的精细化二维模型，用以精确评估隧道爆破对铁塔的影响。

1  工程概况

新建隧道全长467.18 m，隧道围岩Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级分布。从进口掘进施工，明洞段采用明挖法施工，暗挖段采用钻爆法开挖。各作业面分别配备大型机械作业。开挖采用钻爆法掘进，Ⅲ级围岩采用台阶法施工，Ⅳ级围岩采用三台阶法施工，Ⅴ级围岩采用三台阶临时仰拱法施工。1#铁塔塔型为酒杯塔，塔高91.6 m，部高程约为248 m，铁塔与隧道最小水平距离为32 m，与隧道顶最小垂直距离约为39 m。考虑桩基深度7.9 m，根开半径2.1 m。2#铁塔塔型为干字塔，塔高66 m，底部最小高程约为290 m，与隧道最小水平距离约为19 m，与隧道顶最小垂直距离约为41 m。考虑桩基深度10.8 m，根开半径2.3 m。

2  数值模型及荷载

2.1  几何模型

该文采用Midas/GTS软件对隧道爆破开挖进行二维模拟。计算剖面选取各电力铁塔与隧道正交的横剖面，隧道、铁塔尺寸根据隧道及输电铁塔的实际尺寸确定，1#电力铁塔剖面爆破孔离左侧边界为40 m，爆破孔离右侧边界为127 m，离底部边界为80 m；2#电力铁塔剖面爆破孔离左侧边界为106 m，爆破孔离右侧边界为136 m，离底部边界为76 m。隧道爆破孔周边网格进行加密处理每个爆破孔圆周均分为8份。对爆破孔逐孔建模，后期对每一个孔施加爆破荷载，可模拟真实的爆破过程。二维有限元模型如图1所示。1#电力铁塔横剖面总计17 499个节点，17 828单元。2#电力铁塔横剖面总计380 115个节点，382 286单元。

2.2  材料参数

1#铁塔横剖面隧道周围围岩主要以Ⅴ级围岩为主，2#铁塔横剖面隧道周围围岩主要以Ⅲ级围岩为主，因此二维模型岩土采取Ⅲ、Ⅴ级围岩，围岩采用莫尔-库仑屈服准则的理想弹塑性本构模型，平面应变单元进行模拟。铁塔为Q235钢材，模型采用桁架单元进行模拟，桩基为C25混凝土，模型采用嵌入式梁单元进行模拟。材料具体参数取值如表1所示。

2.3  边界约束

对于动力分析，建立的边界条件会由于波的反射作用而产生很大的误差；因此时程分析时常采用黏弹性边界，吸收传递到边界的应力波。该文采用软件自带的无限元功能，模拟两侧土体为无限远。模型底部的约束条件为固定水平、竖直方向。

2.4  爆破荷载

该文爆破荷载采用在炮孔壁之上直接施加半理论半经验的指数衰减型荷载爆破荷载压力时辰曲线。此时的荷载峰值用International Society of Explosive Engineers（2000）里提及的公式。计算中各参数取值如表2所示。

根据是否考虑爆破孔周长的影响，最大爆破压力可按P’=PB×W计算，W为最大装药量，单位为kg。上式决定了爆破时发生的空气动力压力的大小，实际上作用在孔壁的动压力随时间的变化状态。时程动压力PD可按照Statfiled和Pugliese（1968）经验公式计算，具体如下：

PD（t）=4P’[exp（-21/B∙t/2）-exp（-21/2B·t）]                       （3）

式（3）中，B=1000是荷载常数，控制荷载随时间衰减的快慢程度。

1#铁塔剖面围岩等级为Ⅴ级。因在施工设计中，隧道剖面下台阶爆破炸药量设计值最大，故考虑最不利工况下，1#铁塔二维模型取下台阶进行验算分析。隧道剖面下台阶底板孔总计14个，单孔最大装药量为0.7 kg，最大等效爆破荷载为0.88 MPa，数值模型中荷载作用于下部台阶底板孔孔壁上。2#铁塔剖面围岩等级为Ⅲ级。因在施工设计中，隧道剖面上台阶爆破炸药量设计值最大，故考虑最不利工况下，2#铁塔二维模型取上台阶进行验算分析。隧道剖面上台阶周边孔总计40个，单孔最大装药量为0.70 kg，最大等效爆破荷载为2.20 MPa，数值模型中作用于上部台阶周边孔孔壁上。

3  计算结果分析

根据萨道夫斯基公式，铁塔振速与爆源至铁塔的距离成反比，与爆破所用炸药量成正比；爆源距离铁塔越近，铁塔的振速越大；炸药量越大，铁塔的振速越大。据此选取铁塔与爆源直线距离最近、单响炸药量最大的最不利情况进行有限元模拟分析，此时各电力铁塔与隧道处于同一横断面。模型采用时程分析法进行计算，提取两座铁塔塔基振速分析隧道爆破对电力铁塔的影响。

3.1  铁塔振速分析

在数值模型中，分别对1#铁塔隧道剖面下台、2#铁塔隧道剖面上台施加爆破荷载，通过有限元时程分析，得到岩土体和两座铁塔的振速云图，结果如图2和表3所示。分析结果可知，（1）1#铁塔塔基最大振速为0.13 cm/s；2#铁塔塔基最大振速为1.12 cm/s，两座铁塔振速均小于《爆破安全规程》（GB 6722-2014）规定的安全允许振速2.5 cm/s，这与萨道夫斯基公式相符，故二维数值模型可靠，具有较高的模拟精度，能够达到研究的目的。

综合上述分析，在最不利工况下，两座铁塔的大振速均小于安全允許振速，铁塔结构在隧道爆破过程中处于安全状态；由于在数值模拟过程中，2#铁塔的振速明显大于1#铁塔，所以在实际爆破过程中，要着重保护与监测2#铁塔的结构安全。

4  结论

通过建立精细化的隧道爆破二维有限元模型，分析隧道爆破对临近两座高压电力铁塔的影响，得到如下结论。

（1）当爆心离周边重要构筑物距离较近时，爆破荷载的等效施加方法不在合适。宜建立精细化模型，对爆破孔逐建模，精确模拟真实爆破过程。该文为验证了该种方法切实可行。

（2）在铁塔和爆源直线距离最近、单响最大炸药量的最不利工况下，两座铁塔振速均未超过《爆破安全规程》（GB 6722-2014）规定的安全允许振速2.5 cm/s，两座铁塔处于安全状态。其中，2#铁塔振速较大，在实际爆破过程中，要着重保护与监测2#铁塔的结构安全。

参考文献

[1]  赵凯，张东，赵丁凤，等.浅表层隧道爆破对临近古建振动影响的现场模拟试验研究[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2020，33（2）：110-117.

[2]  陈桂龙，漆泰岳，黄晓东，等.城市隧道爆破对地表建筑物振速响应研究[J].路基工程，2020（4）：121-127.

[3]  刘志辉.铁路隧道爆破对运行期电站的振动影响研究[J].四川水力发电，2017，36（1）：72-74.

[4]  IWANO K，HASHIBA K，NAGAE J， et al. Reduction of Tunnel Blasting Induced Ground Vibrations Using Advanced Electronic Detonators[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2020，105：1-10．

[5]  王佳辉，周晗赟，任科亮，等.仰天洞隧道爆破掘进对邻近引水渠的影响分析[J].施工技术（中英文），2021，50（15）：1-4.

[6]  武泽.果子沟隧道爆破对临近管道影响的数值模拟[J].油气储运，2021，40（10）：1167-1173.

[7]  肖欣欣，李夕兵，宫凤强.隧道开挖及爆破对地表高压铁塔影响的FLAC3D分析[J].地下空间与工程学报，2013，9（6）：1401-1405.

[8]  伍岳，贾永胜，黄小武，等.隧道爆破对临近高压输电铁塔的振动影响分析[J].爆破，2022，39（3）：154-171.

[9] 张玉成，杨光华，刘鹏.爆破荷载在数值计算中的等效施加方法研究[J].地下空间与工程学报，2012，8（1） ：56-64.